Verfahren und Schaltungsanordnung zur helligkeits- und temperaturabhängigen Steuerung einer Lampe, insbesondere zur Beleuchtung einer LCD-Anzeige

Abstract

 Zur helligkeitsabhängigen Steuerung einer Lampe, welche insbesondere zur Beleuchtung einer LCD-Anzeige dient, ist es bekannt, in Abhängigkeit von der gemessenen Helligkeit des einfallenden Umgebungslichts ein Ein- und Ausschalten der Lampe vorzunehmen.
Zur Vermeidung einer Überhitzung der LCD-Anzeige bei beispielsweise direkter Sonneneinstrahlung wird in Abhängigkeit von der gemessenen Helligkeit des einfallenden Umgebungslichts die Betriebsspannung für die Lampe verändert. Eine weitere Verbesserung läßt sich dadurch erreichen, daß zusätzlich in Abhängigkeit von der gemessenen Umgebungstemperatur die Betriebsspannung für die Lampe verändert, insbesondere bei Überschreitung eines vorgebbaren Schwellenwerts, die Betriebsspannung abgeschaltet wird. Die Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens erfordert einen geringen Schaltungsaufwand und ist weitgehend integrierbar.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur helligkeitsabhängigen Steuerung einer Lampe, welche insbesondere zur Beleuchtung einer LCD-Anzeige ( Liquid crystal display) dient. LCD-Anzeigen (Flüssigkristall-Anzeigen) werden bevorzugt in Quarzuhren und Taschenrechnern eingesetzt Da LCD-Anzeigen einen nahezu leistungslosen Betrieb gestatten und deshalb nur eine geringe Speiseleistung benötigen, werden diese im zunehmenden Maße auch in Geräten der Nachrichtentechnik eingesetzt.

[0002] Bei LCD-Anzeigen handelt es sich um passive Anzeigen, d.h., sie steuern das auf sie fallende Licht. LCD-Anzeigen weisen eine zwischen einem front- und rückseitigen Polarisator befindliche Schicht aus "verdrillten nematischen Flüssigkristallen" auf. Sieht man von Wärmeschwankungen ab, so stehen die Längsachsen der langgestreckten Moleküle in der nematischen Phase parallel. Unter Einfluß eines an die LCD-Anzeige angelegten elektrischen Felds kann erreicht werden, daß die anfangs undurchsichtige Flüssigkristallschicht durchsichtig wird.

[0003] Liegt kein äußeres elektrisches Feld an, so ist die Richtung der Achsen jeder Molekülschicht gegenüber der benachbarten Molekülschicht um einen kleinen Winkel verdreht. Tritt beispielsweise das Licht (Beleuchtung durch Tageslicht oder Lampe) rückseitig mit horizontaler Polarisation ein, so ist dieses beim Austreten aus der Flüssigkristallschicht vertikal polarisiert. Ist der frontseitige Polarisator ebenfalls vertikal orientiert, so gelangt das Licht ungehindert durch diesen hindurch und die Bildfläche erscheint dem Betrachter hell.

[0004] LCD-Anzeigen lassen sich einteilen in eine reflektive Anzeige, d.h. von vorn einfallendes Licht wird je nach Schaltzustand der Bildelemente reflektiert oder absorbiert, eine transmissive Anzeige, d.h., das von der Rückseite durchtretende Licht wird entsprechend der darzustellenden Information gesteuert und eine transflektive Anzeige, welche einen teildurchlässigen Reflektor aufweist, welcher die Eigenschaften der transmissiven und der reflektiven Anzeige besitzt. Bei der Dunkelfeldanzeige (negative contrast display) erfolgt die Darstellung der Information mit hellen Zeichen auf einem dunklen Untergrund, während bei der Hellfeldanzeige (positive contrast display) die Darstellung der Information mit dunklen Zeichen auf einem hellen Untergrund erfolgt.

[0005] Die Flüssigkristallschicht ist bei LCD-Anzeigen zwischen rück- und frontseitigen Glasplatten und zwischen einer zwischen den Glasplatten umlaufenden Dichtung eingebettet. Die Glasplatten sind mit durchsichtigen Elektroden versehen, wodurch bei Anlegen einer Spannung an die beiden Elektroden die Flüssigkristallschicht einem elektrischen Feld ausgesetzt wird. Dieses elektrische Feld bewirkt eine Ausrichtung aller Molekülschichten in Feldrichtung, wodurch die Verdrillung in der Flüssigkristallschicht und somit die Drehung der Polarisationsrichtung des durchtretenden Lichts entfällt. Tritt rückseitig Licht mit horizontaler Polarisation ein, so trifft dieses horizontal polarisiert am frontseitig vertikal orientierten Polarisator auf und wird von diesem nicht durchgelassen. Dem Betrachter erscheint damit die Bildfläche dunkel.

[0006] Zur Darstellung von Zeichen, Grafiken und Bildern wird häufig eine Matrixanzeige verwendet. Eine solche Matrixanzeige weist horizontal und vertikal jeweils zueinander parallel angeordnete Bildelemente auf. Zur Darstellung eines Satzes von bestimmten Zeichen, z.B. Zahlen, wird häufig die Segmentanzeige, z.B. Sieben-Segment-Anzeige, verwendet. Zur Direktansteuerung bei der Adressierung bzw. Selektion der Bildelemente und deren Helligkeitssteuerung ist die LCD-Anzeige mit einer Steuerschaltung verbunden. Wird jedes Segment bzw. jeder Bildp unkt (pixel) direkt angesteuert, so ist hierfür eine große Zahl von Treiberschaltungen und Zuleitungen erforderlich. Betrachtet man z.B. eine LCD-Anzeige für eine fünfstellige Zahl mit je sieben Segmenten, so sind hierfür 35 Steuerleitungen und eine gemeinsame Rückleitung erforderlich, wenn jedes Segment individuell angesteuert werden soll. Für die Ansteuerung der LCD-Anzeige werden Wechselspannungen mit einer Frequenz über 3O Hz verwendet, um ein flimmerfreies Bild zu bekommen.

[0007] Zur Verringerung der Anzahl an Zuleitungen und Treiberschaltungen werden LCD-Anzeigen im Multiplex-Betrieb angesteuert, d.h. z.B. jede Spalte bzw. Zeile wird zeitlich nacheinander aktiviert. Mit wachsendem Multiplexverhältnis sinkt die Differenz der Spannungsamplitude zwischen Spannung von ein- und ausgeschaltetem Segment (oder Bildpunkt), wobei die Schwellenspannung von eingeschalteten und ausgeschalteten Bildpunkten bei LCD-Displays nicht ausgeprägt ist und außerdem mit der Temperatur variiert. Für größere Multiplexverhältnisse ist deshalb eine entsprechende steile Steuerkennlinie erforderlich, wobei zur Helligkeitssteuerung der Bildelemente häufig eine Pulsamplituden-Modulation verwendet wird, d.h., die Amplitude der Ansteuerimpulse bestimmt die Lichtdurchlässigkeit und damit die Helligkeit des Bildpunkts.

[0008] Da der Umschaltmechanismus in der Flüssigkristallschicht auf einem thermischen Effekt beruht, muß die Wärmeerzeugung in der LCD-Anzeige in Grenzen gehalten werden. Durch Sonneneinstrahlung können Umfeld-Beleuchtungsstärken bis zu 1O⁵ Lux auftreten, so daß die LCD-Anzeige schlecht ablesbar ist.

[0009] Zur Verbesserung der Ablesbarkeit ist es für eine LCD-Anzeige mit Hellfeldanzeige bekannt, an der Stirnseite der LCD-Anzeige eine Lichtquelle anzuordnen (DE-PS 23 1O 219).

[0010] Weiterhin ist aus der DE-PS 3O 29 122 eine Flüssigkristall-Anzeigevorrichtung für ein Kraftfahrzeug bekannt. Die transmissive Anzeige weist auf der Rückseite einen lichtführenden Körper auf, welcher zur wahlweisen Einleitung des Umgebungslichts oder des Lichts einer Lichtquelle in die Flüssigkristallschicht bewegbar ausgebildet ist.

[0011] In der Tagstellung ist die Lichtquelle ausgeschaltet und das Tageslicht wird mittels einer Linse gebündelt und beleuchtet den lichtführenden Körper. Der lichtführende Körper weist rückseitig eine reflektierende Beschichtung auf, wodurch das einfallende Tageslicht die Flüssigkristallschicht von der Rückseite her beleuchtet.

[0012] In der Nachtstellung liegt der lichtführende Körper auf der Rückseite der Flüssigkristall-Anzeigevorrichtung an und die Lichtquelle ist eingeschaltet. Das von der reflektierten Beschichtung des lichtführenden Körpers reflektierte Licht der Lichtquelle dient nun zur Beleuchtung der Flüssigkristall-Anzeigevorrichtung.

[0013] Das Einschalten der Lichtquelle und das gleichzeitige motorische Verstellen des lichtführenden Körpers in die Nachtstellung erfolgt mittels eines beim Ein- bzw. Ausschalten der Kraftfahrzeugscheinwerfer betätigbaren Schalter. Zur Vermeidung der Betätigung eines Schalters kann ein elektrischer Schalter verwendet werden, welcher in Abhängigkeit von der Helligkeit (mittels beispielsweise eines Kadmiumsulfid-Fotosensors gemessenen Helligkeit) des einfallenden Umgebungslichts die Lichtquelle und den Motor zur Verstellung des lichtführenden Körpers einschaltet. Dadurch wird zwar eine Überhitzung der Flüssigkristall-Anzeigevorrichtung durch Wärmestrahlung der Lichtquelle vermieden, andererseits ist jedoch ein hoher Aufwand für die Verstellung des lichtführenden Körpers erforderlich.

[0014] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur helligkeitsabhängigen Steuerung einer Lampe derart anzugeben, daß eine Überhitzung der LCD-Anzeige weitgehend ausgeschlossen ist.

[0015] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

[0016] Das erfindungsgemäße Verfahren weist den Vorteil auf, daß durch die Veränderung der Betriebsspan nung in Abhängigkeit von der gemessenen Helligkeit des einfallenden Umgebungslichts einerseits eine gute Ablesbarkeit der LCD-Anzeige auch bei Sonneneinstrahlung gewährleistet ist, andererseits eine Überhitzung der LCD-Anzeige infolge der Wärmeentwicklung durch die Lampe weitgehend vermieden wird.

[0017] Das Verfahren gemäß Patentanspruch 2 weist den Vorteil auf, daß die LCD-Anzeige bei jeder Umfeld-Beleuchtungsstärke optimal beleuchtet werden kann, bis beispielsweise durch anhaltende Sonneneinstrahlung eine kritische Temperatur (Grenztemperatur ca. 9O Grad Celsius) erreicht wird. Wie Untersuchungen ergaben, wirkt die Streuscheibe für die Hintergrundbeleuchtung (bei einer LCD-Anzeige mit Hellfeldanzeige) bei direkter Sonneneinstrahlung wie ein Reflektor, so daß eine gute Ablesbarkeit auch bei abgeschalteter Lampe besteht.

[0018] Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in weiteren Patentansprüchen angegeben.

[0019] Die Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens gemäß Patentanspruch 6 erfordert einen geringen Schaltungsaufwand und kann weitgehend integriert werden.

[0020] Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Schaltungsanordnung sind in den weiteren Patentansprüchen angegeben.

[0021] Die Erfindung wird im folgenden anhand einer in der Zeichnung dargestellten Ausführungsform näher beschrieben und erläutert. Bei der in der Figur dargestellten Schaltungsanordnung wird das Verfahren der Pulslängen-Modulation benutzt und in Abhängigkeit von der gemessenen Helligkeit des einfallenden Umgebungslichts und in Abhängigkeit von der gemessenen Umgebungs-Temperatur wird die Betriebsspannung UB für eine Lampe L verändert. Die Schaltungsanordnung weist in Serie zueinander liegende Komperatoren auf, wobei als Komperatoren entsprechend beschaltete Operationsverstärker O1 bis O4 benutzt werden.

[0022] Ein Impulsgenerator IG weist einen Sägezahngenerator SG auf, welcher aus dem mit zwei RC-Gliedern R1, C1; R2, C2 beschalteten vierten Operationsverstärker O4, einen diesem Operationsverstärker O4 nachgeschalteten dritten Operationsverstärker O3 und einen mit deren Eingängen verbundenen Spannungsteiler R5, R6 besteht.

[0023] Der Widerstand R2 ist mit einem Anschluß an eine Klemme der Betriebsspannungsquelle BQ angeschlossen und ist mit seinem zweiten Anschluß sowohl mit dem Ausgang des vierten Operationsverstärkers O4, mit einem Anschluß des zweiten Kondensators C2, mit einem ersten Anschluß des ersten Widerstands R1 und mit dem nichtinvertierenden Eingang des dritten Operationsverstärkers O3 verbunden. Der zweite Anschluß des Kondensators C2 liegt an Masse an. Mit dem zweiten Anschluß des ersten Widerstands R1 ist sowohl der invertierende Eingang des vierten Operationsverstärkers O4 als auch der erste Anschluß des ersten Kondensators C1 verbunden, dessen zweiter Anschluß an Masse angeschlossen ist. Zwischen den Klemmen der Betriebsspannungsquelle BQ ist ein aus einem vierten Widerstand R4, dem fünften und sechsten Widerstand R5, R6 bestehender Spannungsteiler angeschlossen. Mit dem ersten Abgriff des Spannungsteilers ist der invertierende Eingang des zweiten Operationsverstärkers O2 und der nichtinvertierende Eingang des vierten Operationsverstärkers O4 verbunden. Am zweiten Abgriff des Spannungsteilers ist der invertierende Eingang des dritten Operationsverstärkers O3 angeschlossen.

[0024] Weiterhin ist mit der Betriebsspannungsquelle BQ ein dritter Spannungsteiler verbunden, welcher aus einem dritten Kondensator C3 und einem Fototransistor T1 besteht. Parallel zur Hauptstromstrecke des Fototransistors T1 ist ein dritter Widerstand R3 angeordnet. Mit dem Abgriff des dritten Spannungsteilers sind der nichtinvertierende Eingang des zweiten Operationsverstärkers O2 und der Ausgang des dritten Operationsverstärkers O3 verbunden.

[0025] Mit der Betriebsspannungsquelle BQ sind ein vierter Spannungsteiler, bestehend aus einem siebten und einem achten Widerstand R7, R8 und ein fünfter Spannungsteiler, bestehend aus einem n eunten Widerstand R9 und einem Kaltleiter KL, verbunden. Der Abgriff des vierten Spannungs teilers ist sowohl an den Ausgang des zweiten Operationsverstärkers O2 als auch an den nichtinvertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers angeschlossen. Der Abgriff des fünften Spannungsteilers ist mit dem invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers O1 verbunden.

[0026] An den Ausgang des ersten Operationsverstärkers O1 ist ein erster Anschluß eines elften Widerstands R11 und ein erster Anschluß eines zehnten Widerstands R1O angeschlossen. Der zweite Anschluß des elften Widerstands R11 ist mit einer Klemme der Betriebsspannungsquelle BQ verbunden. An den zweiten Anschluß des zehnten Widerstands R1O ist die Basis eines Schalttransistors T2 angeschlossen. Der Emitter des Schalttransistors T2 ist mit einer Klemme der Betriebsspannungsquelle BQ und der Kollektor des Schalttransistors T2 ist mit einem Anschluß der Lampe L verbunden. Der zweite Anschluß der Lampe L ist an eine Klemme der Betriebsspannungsquelle BQ angeschlossen.

[0027] Die Arbeitsweise der in der Figur dargestellten Schaltungsanordnung wird im folgenden näher beschrieben und erläutert.

[0028] Der Sägezahngenerator SG weist den vierten Operationsverstärker O4 mit offenem Kollektorausgang auf. Der erste Kondensator C1 und der zweite Kondensator C2 werden über den zweiten Widerstand R2 nahezu gleichzeitig aufgeladen, bis die Differenzspannung zwischen invertierendem und nichtinvertierendem Eingang des vierten Operationsverstärkers O4 negativ wird. Der Ausgangstransistor des vierten Operationsverstärkers O4 wird dann durchgeschaltet und der zweite Kondensator C2 innerhalb kurzer Zeit entladen. Der Ausgangstransistor des vierten Operationsverstärkers O4 bleibt leitend, bis sich der erste Kondensator C1 über den ersten Widerstand R1 und den Ausgangstransistor soweit entladen hat, daß die Differenzspannung zwischen invertierendem und nichtinvertierendem Eingang des vierten Operationsverstärkes O4 wieder positiv wird.

[0029] Die am zweiten Kondensator C2 abfallende Sägezahnspannung mit flacheren (im Idealfall zeitlinearer) Anstieg und steileren (im Idealfall abrupten) Abfall führt im dritten Operationsverstärker O3 zu einer kurzen leitenden Phase und zu einer langen Sperrphase des Ausgangstransistors. Der am Kollektor dieses Ausgangstransistors angeschlossene dritte Kondensator C3 wird schnell entladen und wird während der Sperrphase des Ausgangstransistors über die Hauptstromstrecke des Fototransistors T1 geladen. Der von dem Fototransistor T1 gelieferte Strom wird in der Amplitude mit steigender Lichtstärke größer, so daß der dritte Kondensator C3 höher aufgeladen wird. Mittels des zur Hauptstromstrecke des Fototransistors T1 angeordneten dritten Widerstands R3 wird vermieden, daß bei völliger Dunkelheit die Lampe L ganz erlischt.

[0030] Mittels des zweiten Operationsverstärkers O2 wird aus der am dritten Kondensator C3 abfallenden Sägezahnspannung ein rechteckimpulsförmiges Signal mit lichtabhängiger Pulslänge und einer Amplitude der halben Betriebsspannung UB gebildet.

[0031] Der Widerstandswert des neunten Widerstands R9 ist so festgelegt, daß am invertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers O1 unterhalb der kritischen Temperatur eine Gleichspannung auftritt, die größer ist als die am nichtinvertierenden Eingang des ersten Operationsverstärkers O1 abfallende Gleichspannung. Dadurch wird die Differenzspannung zwischen nichtinvertierendem und invertie rendem Eingang des ersten Operationsverstärkers O1 invertiert und der Ausgangstransistor des ersten Operationsverstärkers O1 sperrt und leitet periodisch derart, daß der Schalttransistor T2 bei Dunkelheit jeweils lange gesperrt und kurz leitend, bei Helligkeit entsprechend umgekehrt.

[0032] Der im steilen Bereich der R/

Kennlinie betriebene Kaltleiter KL wird bei einer Erhitzung auf eine Temperatur von beispielsweise 9O Grad Celsius hochohmig. Durch den dadurch am invertierenden Eingang des ersten Operationsvers tärkers O1 erhöhten Spannungsatfall wird sich die Spannungsdifferenz zwischen invertierendem und nichtinvertierendem Eingang des ersten Operationsverstärkers O1 nicht mehr umkehren und der Schalttransistor T2 bleibt gesperrt, und folglich bleibt die Lampe L dunkel, bis die Temperatur wieder abgesunken ist.

[0033] Der Kaltleiter KL wird dabei so anzuordnen sein, daß Eigenerwärmung und/oder Varistoreffekt ausgeschlossen sind. Durch entsprechende Materialien mit besonders steilem Widerstands-Temperatur-Verlauf läßt sich eine hohe Regelgenauigkeit erreichen und ein schnelles Ansprechen des Kaltleiters KL ist bei kleinen Abmessungen des Kaltleiters KL möglich.

Ansprüche

1. Verfahren zur helligkeitsabhängigen Steuerung einer Lampe (L), insbesondere zur Beleuchtung einer LCD-Anzeige, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit von der gemessenen Helligkeit des einfallenden Umgebungslichts die Betriebsspannung (UB) für die Lampe (L) verändert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit von der gemessenen Umgebungstemperatur die Betriebsspannung (UB) für die Lampe (L) verändert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsspannung (UB) unter Verwendung einer Pulslängen-Modulation verändert wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsspannung (UB) unter Verwendung einer Pulsamplituden-Modulation verändert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Überschreitung eines vorgebbaren Schwellenwerts der Temperatur die Betriebsspannung (UB) ausgeschaltet wird.

6. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulsdauer von mittels eines Impulsgenerators (IG) erzeugten Impulse in Abhängigkeit von der gemessenen Helligkeit verändert wird und daß mittels so erzeugter Steuerimpulse ein im Stromkreis der Lampe (L) liegender Schalter (T2) gesteuert wird.

7. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulshöhe von mittels eines Impulsgenerators (G) erzeugten Impulse in Abhängigkeit von der gemessenen Helligkeit verändert wird und daß mittels so erzeugter Steuerimpulse ein im Stromkreis der Lampe (L) liegender steuerbarer Widerstand angesteuert wird.

8. Schaltungsanordnung nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerimpulse einem ersten Komperator zugeführt werden, welcher die Impulshöhe mit einer am Abgriff eines Spannungsteilers abfallenden Spannung vergleicht, welcher mit der Betriebsspannungsquelle (BQ) verbunden ist und aus einem Kaltleiter (KL) und einem Widerstand (R9) besteht, und daß der erste Komperator mit der Basis eines Schalttransistors (T2) in Verbindung steht, dessen Emitter mit einer Klemme der Betriebsspannungsquelle (BQ) und dessen Kollektor mit einem Anschluß der Lampe (L) verbunden ist.

9. Schaltungsanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Impulsformung der Steuerimpulse, diese einen zweiten Komperator zugeführt werden, dessen Ausgang mit dem ersten Komperator verbunden ist.

1O. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß mittels eines Sägezahngenerators (SG) erzeugte Impulse einem dritten Komperator zugeführt werden, dessen Ausgang mit dem zweiten Komperator verbunden ist.

11. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1O, dadurch gekennzeichnet, daß der Sägezahngenerator (SG) aus einem mit zwei RC-Gliedern beschalteten vierten Komperator besteht.

12. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß als Komperatoren entsprechend b eschaltete Operationsverstärker (O1, ..., O4) benutzt werden.

13. Schaltungsanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des dritten Operationsverstärkers (O3) mit dem Abgriff eines mit der Betriebsspannungsquelle (BQ) verbundenen Spannungsteiler verbunden ist, welcher aus einem Kondensator (C3) und einem Fototransistor (T1) besteht.

14. Schaltungsanordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß Parallel zur Hauptstromstrecke des Fototransistors (T1) ein Widerstand (R3) angeordnet ist.

Zeichnung